Metrologie teploty Ing. Jan Otych (ČMI Brno)

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Metrologie teploty

Ing. Jan Otych (ČMI Brno) 18. června 2012

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 18.6.2012

1

Historie teploměru a stupnice • • • • • • • • • • • • •

1610 Galileo Galilei - termoskop 1641 první zatavený teploměr se stupnicí 1664 Robert Boyle- stupnice s nulovým bodem 1665 Christian Huygens - stupnice se dvěma kalibračními body (led, bod varu vody) 1724 G. Fahrenheit- první rtuťový teploměr 1745 A. Celsius- 100 dílková stupnice 1780 J. Charles- základ pro plynový teploměr 1880 přijata praktická stupnice pro mezinárodní metrologii 1927 VII. CIMP dohodnuta 1. mezinárodní jednotná teplotní stupnice ITS 1927 1948 stupnice revidována – dohodnuta IPTS 1948 1960 XI. CIPM další korekce a úpravy 1968 dohodnuta IPTS 68 (v ČSSR přijata od 1.7.1969) 1990 dohodnuta ITS 90

18.6.2012


2

Pojmy • Teplota - termodynamická, Celsiova, Fahrenheitova • Jednotky - K, °C, °F • Stupnice – souhrn číselných hodnot přiřazených přesně stanoveným způsobem teplotám

18.6.2012


3

Principy měření teploty • Roztažnost látek • Závislost elektrických veličin na teplotě • Elektromagnetické záření

18.6.2012


4

Druhy teploměrů Dotykové – Mechanické • dilatační • Tlakové, parní • Speciální

– Elektrické • Odporové • Termoelektrické • Speciální

Bezdotykové

pyrometry fotografické termovize

18.6.2012


5

Návaznost teploty • TPM 3040-95 • primární etalonáž - kalibrace v pevných bodech • sekundární etalonáž 1. a 2. řád - přímé porovnání

18.6.2012


6

Návaznost teploty

18.6.2012


7

Přesnost měření Vyjadřuje se nejistotou měření (EA4/02) • majoritní zdroje nejistot • nepřesnost odečtu etalonového a měřeného teploměru • stabilita a homogenita teplotního pole • početní operace • lidský faktor (paralaxa …..)

18.6.2012


8

Skleněný teploměr • Konstrukce - obalový, tyčinkový, plný a částečný ponor • Teploměrná kapalina - rtuť, organické látky • Druhy podle použití - etalony, laboratorní, průmyslové

18.6.2012


9

Skleněný teploměr - popis Obalový 1- baňka s teploměrnou náplní 2- obal 3- kapilára 4- expanzní nádobka 5- pomocná nádobka k potlačení rozsahu stupnice Tyčinkový: 1- tlustostěnná kapilára 2- teploměrná náplň 18.6.2012


10

Skleněný teploměr • • • •

Výhody: Levný, nepotřebuje zdroj Nevýhody: Křehký, toxická náplň, nelze použít v regulačním řetězci

18.6.2012


11

Skleněný teploměr Provedení teploměrů: • stonkový • zahnutý : • se zábrusem

18.6.2012


12

Skleněný teploměr - čtení Údaje teploměru se čtou, je-li náplní • nesmáčivá kapalina – v nejvyšším místě vypuklého menisku • smáčivá kapalina – v nejnižším místě vydutého menisku Nutno zamezit vzniku paralaxy.

18.6.2012


13

Skleněný teploměr Rozsah použití: • (-80 až 600) °- podle náplně Přesnost: • daná normami ČSN 25 81 XX podle rozsahu, náplně a dělení stupnice (0,01 až 2)°C Nejistoty: • Podle rozsahu a dělení (0,015 až 0,60) °C

18.6.2012


14

Tlakový, parní, kovový teploměr Hlavní použití v průmyslu Výhody - robustní, levné Nevýhody - nutnost korekce údaje na okolní teplotu, nelineární stupnice, malý rozsah

18.6.2012


15

Normy a předpisy

• Skleněné teploměry - I 3216

• Odporové snímače teploty - ČSN – EN 60751 • Termoelektrické články ČSN EN 584 - 2, TPM 3321 - 94

18.6.2012


16

Odporový snímač teploty Odporový snímač teploty se používá v širokém spektru měření od průmyslových snímačů při provozních měřeních až po hlavní podnikové a státní etalony v maximálním rozsahu teplot (-200 až 850) °C. Nejpoužívanější rozsah je (-196 až 660) °C. 18.6.2012


17

Princip odporového snímače a základní rozdělení -

závislost změny odporu odporového čidla na teplotě Základní rozdělení: 1. Kovové 2. Nekovové (polovodičové) 1. Kovové - Platinové Pt25, 100, 500, 1000 alfa = 1,385 průmyslové použití a etalony alfa = 1,391 průmyslové použití a etalony alfa = 1,392 hlavně etalony - vyšší alfa = větší čistota platiny=charakteristika blížící se více ideální křivce, předpoklad pro kvalitnější etalon. 18.6.2012


18

Další používané typy: Niklové - většinou nyní vyráběné podle DIN

normy teplotní rozsah -60°C až 200°C (výjimečně do 300°C) Výhody, nevýhody, použití.

Měděné -

používají se méně, teplotní rozsah -200°C až 200°C Výhody, nevýhody, použití.

18.6.2012


19

Základní rovnice: Polynomy: 3 Rt = R0 (1 + At90 + Bt902 + C (t90 − 100)t90 )

podnulové teploty 2 R = R ( 1 + At + Bt 0 90 90 ) t nadnulové teploty Wt − Wrt = a (Wt − 1) + b(Wt − 1)ln Wt 90

90

90

podnulové i nadnulové teploty

90

3 Rt = R0 (1 + At90 + Bt902 + Ct90 )

Odchylková funkce: podnulové teploty

(

) (

)

(

)

Wt90 − Wrt = a Wt90 − 1 + b Wt90 − 1 + c Wt90 − 1 2

nadnulové teploty Výhody, nevýhody, použití. 18.6.2012


20

3

Nekovové (polovodičové) • 1. Polykrystalické – termistorové – NTC PTC • 2. Monokrystalické - s PN přechodem Velký teplotní součinitel od 0,1 Ohmu až jednotky MOhmů. Výhody, nevýhody, použití.

18.6.2012


21

Typy zapojení: -

dvouvodičové třívodičové čtyřvodičové dvouvodičové s pomocnou smyčkou

- Vyhody, nevýhody, použití.

18.6.2012


22

Značení snímačů Podle normy ČSN EN 60751 • odpor ( např.Pt100) • třída • konfigurace vodičů • teplotní rozsah např. Pt 100/A/3/ -50/ +300  u stanovených měřidel výrobní číslo  při kalibraci jednoznačná identifikace

18.6.2012


23

Nová norma pro platinové ost ČSN EN 60751:2008  NĚKTERÉ DŮLEŽITÉ ZMĚNY Rozšíření a změny v tolerančních třídách: AA - vinutá čidla v rozsahu (-100 až 250)°C ± (0,1+0,0017 |t|) tenkovrstvá čidla v rozsahu (0 až 150)°C ± (0,1+0,0017 |t|) A - vinutá čidla v rozsahu (-100 až 450)°C ± (0,15+0,002 |t|) tenkovrstvá čidla v rozsahu (-30 až 300)°C ± (0,1+0,0017 |t|) B - vinutá čidla v rozsahu (-196 až 660)°C ± (0,30+0,005 |t|) tenkovrstvá čidla v rozsahu (-50 až 500)°C ± (0,30+0,005 |t|) C - vinutá čidla v rozsahu (-196 až 660)°C ± (0,60+0,01 |t|) tenkovrstvá čidla v rozsahu (-50 až 500)°C ± (0,60+0,01 |t|) 18.6.2012


24

Měření izolačního stavu teploměru Při teplotě okolí min. hodnota nesmí být menší než 100 MΩ a zkušební napětí musí být min. 100 V. Další hodnoty: (zkušební napětí musí být minimálně 10 V) Jmenovitá max. teplota (°C) Minimální izolační odpor (MΩ) do 250 20 251 – 450 2 451 – 650 0,5 651 – 850 0,2

18.6.2012


25

Složení teplotního snímače Stonková trubice – chrání měřící odpor (čidlo) a vnitřní vedení (křemenné sklo, keramika, niklové slitiny,legovaná ocel, měď, slitiny mědi) teplotní čidlo – měřící část - tenký drátek nebo napařovaná vrstvička vnitřní vedení – zakončené hlavicí se svorkovnicí, připojení kabelové – spojovací vedení k měřidlu

18.6.2012


26

Odporový snímač teploty Rozsah použití: • (-200 až 660) ° Přesnost: • daná normou ČSN EN 60751 Nejistoty: • Podle rozsahu a zařazení (0,002 až 0,09) °C

18.6.2012


27

Normy a předpisy: • TPM 3040 – 90 Schéma návaznosti měřidel teploty • TPM 3340 – 94 Platinové odporové teploměry, sek. etalony (technické požadavky) • TPM 3341 – 94 Platinové odporové teploměry, sek. etalony (metody zkoušení při kalibraci) • TPM 3342 – 94 Platinové odporové snímače teploty (metody zkoušení při ověřování kalibraci) • ČSN EN 60751:2008 Průmyslové platinové odporové teploměry a platinové snímače teploty • EA 4-02 Vyjadřování nejistot měření při kalibracích

18.6.2012


28

Termoelektrický článek Termoelektrický článek jako součást teploměru patří k nejrozšířenějším přístrojům pro měření teploty v rozsahu od (-200 do 2000) °C, ve zvláštních případech od (-270 do 3500) °C

18.6.2012


29

Princip termoelektrického jevu - přímá přeměna tepelné energie na elektrickou a naopak - v obvodě složeném ze dvou různých vodičů, které jsou na koncích spojeny, způsobí teplotní rozdíl těchto spojů termoelektrické napětí v obvodu (Seebecův jev) 18.6.2012


30

Termoelekrický článek • Provedení - klasické, plášťové, ušlechtilé kovy, obecné kovy • Druhy - S, R, B, K, J, N • Teplotní rozsah -200 až 1600 °C

18.6.2012


31

Základní pravidla • výsledné napětí je funkcí materiálů větví • výsledné napětí je funkcí teplot spojů • termoelektrické napětí nezávisí na případném třetím materiálu v obvodu, pokud oba jeho spoje, kterými je včleněn do obvodu mají stejnou teplotu • vodiče musí být homogenní (nehomogenní vodič představuje řadu přídavných TC článků vřazených do obvodu)

18.6.2012


32

Rozdělení • klasické - termoel. článek je volně vložený do izolační keramiky a s ní do kovové nebo keramické trubice (snadno rozebiratelné) • plášťové - termoel. článek je pevně spojen s izolací a pláštěm lisováním (nerozebiratelný celek)

18.6.2012


33

Označování TC • 1. písmeny velké abecedy: S, B, K, N, J, E, T, R, L, U, C • 2. chemickým složením: PtRh10-Pt, PtRh30-PtRh6, NiCr-NiAl (při označování se jako první uvádí kladná větev)

18.6.2012


34

Rozsah použití Označení dle ČSN EN 60584-1

Původní označení

Měřicí rozsah

S

PtRh10-Pt

0 až 1200

B

PtRh30-PtRh6

300 až 1700

K

NiCr-NiAl

-200 až 1250

N

NiCrSi-NiSi

-200 až 1200

J

Fe-CuNi

-200 až 750

E

NiCr-CuNi

-100 až 900

R

PtRh13-Pt

0 až 1500

T

Cu-CuNi

-200 až 350

18.6.2012


35

Porovnání charakteristik TC

18.6.2012


36

Prodlužovací a kompenzační vedení • Prodlužovací vedení – je zhotoveno ze stejných materiálů jako termoel. článek • Kompenzační vedení – je zhotoveno z jiných (levnějších) materiálů

18.6.2012


37

Značení prodlužovacího vedení Polarita vodičů: negativní - bílý pozitivní - černý nebo v barvě TC Písmenný kód za označením typu TC: X – prodlužovací vedení C – kompenzační vedení

18.6.2012


38

Výhody TC Jsou aktivními zdroji signálu Rychlá odezva Miniaturní provedení Použití v širokém rozsahu teplot Odolnost proti náhlým změnám teploty U plášťových TC mechanická odolnost, odolnost proti tlaku, různým plynům a chemikáliím, vibracím, vlhkosti, možnost ohýbání, délky i desítky metrů • Značná životnost

• • • • • •

18.6.2012


39

Nevýhody TC • u TC typu K nestabilita od 200 do 600 °C (tzv. K stavy), kdy termoel. napětí vykazuje hysterezi při zahřívání a chladnutí • Nižší přesnost v porovnání s odporovými snímači teploty

18.6.2012


40

Pyrometry Rozdělení – Optické – Radiační

18.6.2012


41

Optické pyrometry Optické pracují na principu porovnání známého jasu nebo barvy s barvou nebo jasem kalibrovaného pyrometru. Rozsah použití (800 až 2300) °C. Zdrojem teploty jsou teplotní žárovky.

18.6.2012


42

Optické pyrometry Přesnost cca (5 až 10) °C, závisí na kvalitě vybavení (proudový zdroj, etalonový odpor) a kondici obsluhy. Nejistota měření cca 1 % z měřené hodnoty.

18.6.2012


43

Radiační pyrometry Pracují na principu ohřevu bolometru umístěného v ohnisku parabolického zrcátka energií, kterou vyzařuje každé těleso které má vyšší teplotu jak absolutní nula. Rozsah použití (-30 až 1500) °C. Zdrojem teploty jsou černá tělesa.

18.6.2012


44

Radiační pyrometry Přesnost cca (0,5 až 3) °C, závisí na kvalitě vybavení (černé těleso) a znalosti a nastavení emisivity pyrometru a provedení měření. Nejistota měření (0,8 až 6,3) °C.

18.6.2012


45

Termokamery Přesnost cca (2 až 5) °C nebo 2 % z rozsahu, co je vyšší, závisí na typu kamery. Rozsah měření (-20 až 600) °C. Nejistota měření (0,8 až 6,3) °C.

18.6.2012


46

Kapalinová lázeň Slouží ke generování teplot. Náplní je dán rozsah lázně. VODA – (20 až 90) °C OLEJ – (100 až 250) °C SŮL – (200 až 550) °C Stabilita (0,005 až 0,02) °C Homogenita (0,005 až 0,02) °C Závisí na kvalitě regulátoru a jeho naladění.

18.6.2012


47

Kryostat Slouží ke generování teplot. Náplní je metanol Rozsah (-80 až 40) °C Stabilita cca 0,02 °C Homogenita cca 0,02 °C

18.6.2012


48

Horizontální vzduchová pec Rozsah (400 až 1600) °C Stabilita cca 0,2 °C Homogenita cca 0,2 °C

18.6.2012


49

Kalibrační bloková pícka Rozsah je dán konstrukcí pícky a materiálem bloku. (-90 až 1200) °C Stabilita (0,005 až 0,05) °C Homogenita (0,01 až 0,05) °C

18.6.2012


50

Prostředky pro měření teploty Nejsou to měřidla, svým stavem určují teplotu. Např. žároměrky, teplotní pastelky. Rozsah od desítek po tisíc °C. Přesnost jednotky °C.

18.6.2012


51

Vlastní návrh teplotní stupnice 18 10 2 0 -1 -4 -10 -12 -15 -18 -20 -24 -29 -30 -39 -50 -60 -70 -72 -75 -120 -268 -273,15

obyvatelé Havaje si berou na noc dvě přikrývky obyvatelé helsinských činžáků vypínají topení, Rusové pěstují kytičky italská auta nejdou nastartovat destilovaná voda zamrzá dech se stává viditelným - Rusové jedí zmrzlinu a popíjejí studené pivo pes se ti snaží nacpat do postele francouzská auta přestávají startovat politikové začínají mluvit o bezdomovcích americká auta přestávají startovat helsinští nájemníci zapínají topení - obyvatelé Havaje už zmrzli dech se stává slyšitelným německá auta nejdou nastartovat japonské automobily přestávají startovat, pes zkouší vlézt ti pod pyžamo ž á d n é normální, ani ruské auto nejde nastartovat vroucí atmosféra v kongresu zamrzne - Rusové si zapínají vrchní knoflíky u košile auto se ti snaží nacpat do postele obyvatelé Helsinek zmrzli - tuleni opouštějí Grónsko a stěhují se na jih zamrzlo peklo - univerzita v Kuzněcku organizuje přespolní běh pro zahřátí advokáti strkají ruce do vlastních kapes Santa Klaus opouští polární kruh alkohol zmrzl, Rus je pořádně nasranej hélium zkapalnělo absolutní nula, ustává pohyb elementárních částic, Rus žužlaje vodku, připouští, že je pořádná kosa

18.6.2012


52

Děkuji za pozornost Kontakt Ing.Jan Otych ČMI OI Brno Okružní 31 638 00 Brno mob. 724 121 127 E-mail [email protected]

18.6.2012


53

Metrologie teploty Ing. Jan Otych (ČMI Brno)

Recommend Documents